Я намагаюся зрозуміти, як відбувається синхронізація символів в OFDM за допомогою пілотних тонів, циклічних префіксів чи будь-якої іншої техніки.

Я прочитав наступні відповіді, які дають певне пояснення, але я все ще не повністю його розумію.

Як демодулювати сигнал OFDM

Як оцінити кількість натискань, необхідних для наступних алгоритмів оцінки каналів?

Конкретні питання:

1) Як виявляється пілотний тон? Чим він відрізняється від звичайних даних про субмедіатор? Як це можна використовувати для визначення початку та кінця символу?

2) Якщо я правильно зрозумів відповіді, наведені вище, для знаходження початку / кінця символу можна використовувати циклічний префікс, оскільки він автоматично співвідноситься з деякою затримкою. Однак циклічний префікс існує для того, щоб "поглинути" ISI. Отже, якщо префікс було змінено з ISI, то яким чином це автокореляція може бути успішною?

Що стосується загального питання про те, як робиться синхронізація символів в системах OFDM:

1. Однією з найпопулярніших і часто використовуваних методів є передача одного або декількох пілотних символів , які відомі в приймачі. Пілотний символ - це повний символ OFDM, де значення кожного піднесучого заздалегідь визначене і відоме в передавачі та приймачі. Це повторюється з певною швидкістю, яка залежить від швидкості зміни каналу. Отриманий сигнал співвідноситься з пілотним символом для виявлення запуску символу OFDM. Він також може бути використаний для оцінки каналів. Шмідл та Кокс запровадили в [1] техніку на основі пілотного символу, де символ пілота має особливу симетрію, так що символ пілота не повинен бути відомий у приймачі.

2. Як зауважив у коментарі Джейсон Р, хоча це не є його початковим призначенням, циклічний префікс також може бути використаний для синхронізації символів, оскільки відоме повторення деякої частини прийнятого сигналу, яка може бути виявлена ​​за допомогою автокореляції. Він особливо добре підходить для каналів, що швидко змінюються, оскільки час затримки може оновлюватися на основі символу. Крім того, це не додає додаткових накладних витрат. Однак він більш чутливий до шуму [2] та, імовірно, також до ISI.
   Редагувати: Максимальна затримка, яку можна виявити цим методом, - це довжина одного символу OFDM. Тому він підходить лише для тонкої синхронізації.

3. Є ще кілька "екзотичних" прийомів. Наприклад, в одному з них обчислюється N-DFT (N = кількість піднесучих) зміщених за часом версій прийнятого сигналу. Якщо застосувати DFT до неправильного часового вікна, отримана діаграма сузір'я буде безладно. Якщо ви отримали правильне часове вікно, дигарам консталяції показує різні точки сузір'я. Це можна виявити, обчисливши стандартне відхилення виходу DFT. Цей метод передбачає високу обчислювальну вартість.

Щодо конкретних питань

Як виявляється пілотний тон? Чим він відрізняється від звичайних даних про субмедіатор? Як це можна використовувати для визначення початку та кінця символу?

Після синхронізації отриманого сигналу пілотні тони перебувають у заздалегідь визначених відрізках DFT. При проектуванні системи фіксується розташування пілотних тонів у спектрі. Існують і більш складні схеми, де розташування пілотних тонів змінюється за попередньо визначеною схемою, щоб отримати гарне наближення каналу як в частотній, так і в часовій області. Пілот-тони не можна використовувати для синхронізації, тому що прийнятий сигнал спочатку повинен бути синхронізований, перш ніж ви зможете витягти пілотні тони в частотній області. Припустимо, що використовується неправильне часове вікно: ортогональність піднесучих буде втрачена, а результат DFT - деяка суміш двох послідовних символів OFDM. Це нелінійний ефект, і пілотні символи не можуть бути вилучені з цієї суміші. Пілотні тони використовуються для оцінки каналів, а іноді і для зменшення фазового шуму.
Редагування: Як в своїх коментарях зазначив Джим Клей, точна синхронізація через пілотні тони можлива, якщо відоме велике значення затримки, а залишкова затримка не перевищує довжину циклічного префікса.

Якщо я правильно зрозумів відповіді, наведені вище, для пошуку початку / кінця символу може бути використаний циклічний префікс, оскільки він автоматично співвідноситься з деякою затримкою. Однак циклічний префікс існує для того, щоб "поглинути" ISI. Отже, якщо префікс було змінено з ISI, то яким чином це автокореляція може бути успішною?

Як і всі методи синхронізації, цей метод буде страждати від шуму і дисперсії каналів, і, отже, буде працювати певною мірою від вищезгаданих ефектів. Для кількісного визначення того, наскільки саме він все ще працює, знадобиться глибоке дослідження, яке, безумовно, вже зробили.

[1] Шмідл, ТМ; Кокс, округ Колумбія; , "Надійна синхронізація частоти та часу для OFDM", комунікації, транзакції IEEE в, т. 45, №12, стор.1613-1621, грудень 1997 р.

[2] ван де Бек, Дж. Дж. Сандел, М .; Borjesson, PO; , "Оцінка ЗС зсуву часу та частоти в системах OFDM", Обробка сигналів, IEEE Операції по, т. 45, № 7, стор.1800-1805, липень 1997 р.

How is a pilot tone found?

Розташування пілотних тонів у перерахунку на несучі визначається протоколом сигналу. Наприклад, у випадку 802.11a пілотними підносіями є -21, -7, 7 та 21.

What makes it different than the regular data on a sub-carrier?

Він відрізняється тим, що приймач точно знає, що містить пілотний тон. Не існує жодної невизначеності, крім шуму та спотворень, спричинених зміщенням несучої, зміщенням символу (часу), канальними ефектами (наприклад, багатонаправленість) тощо.

How can it be used to determine symbol starts and ends?

Кругові зрушення (іноді їх називають "бочковими" зрушеннями) призводять до зміщення фаз у ЗПТ. Циклічний префікс подає кінець символу для точної мети зробити часовий зсув круговим зрушенням. Таким чином, коли виконується зворотний FFT, будь-який зсув часу створюватиме зміщення фази у всіх каналах. Оскільки ми точно знаємо, якими мають бути пілотні тони, зміщення фази (що відповідає зміщенню часу в початковому символі) можна виявити та виправити.

If I understand the answers above correctly, a cyclic prefix can be used to find the
symbol start/end because it will auto-correlate with some delay.

Знову ж таки, справа не в автокореляції, це в тому, що обернена FFT перетворює зсув часу у зсув фази, який ми можемо використовувати пілотні канали для виявлення.

However, the cyclic-prefix exists in order to "absorb" ISI. So if the prefix has been
munged with ISI, then how can this auto-correlation be successful?

Без багатодоріжки немає ISI з OFDM-сигналами. Єдиний ISI, про який вони повинні переживати, - це те, коли є сигнал із запізненням на багато маршрутів, який заважає первинному сигналу. Вони навмисно роблять циклічний префікс довше, ніж будь-яка "звичайна" багатозахисна затримка, тому майже завжди існує непорушена інформація про FFT, яка має непошкоджені дані.

Синхронізація є важливим завданням у практичних системах зв'язку, але вона не пов'язана безпосередньо з теорією OFDM.

Синхронізація кадрів

Практичні системи зв'язку (такі як IEEE 802.11 або 802.3) обмінюються так званими кадрами, які складаються з декількох полів, які, в свою чергу, виконують різні, конкретні завдання. Як правило, перше поле кадру - це так звана преамбула, яка має єдине призначення

• виявлення кадрів, що надходять,
• синхронізація приймача з передавачем,
• виконання автоматичної корекції посилення (AGC) на приймачі (необхідне в системах бездротового зв'язку).

Преамбула, як правило, складається з послідовності Баркера, яка є двійковим кодом з мінімальною автокореляцією поза піком. Цей код навіть не обов'язково повинен бути модульованим OFDM, але він може бути модульованим BPSK на одному носії в межах доступного діапазону частот. Одержувач застосовує відповідний фільтр до вхідного потоку зразків. Якщо вихід відповідного фільтра перевищує певний поріг, дуже ймовірно, що він виявив вхідну преамбулу. Оскільки коефіцієнти автокореляції коду Баркера мінімальні, пік виходу відповідного фільтра забезпечує необхідну інформацію для вирівнювання наступних полів кадру з FFT приймача.

Послідовність навчання

Після преамбули наступне поле кадру зазвичай є якоюсь тренувальною послідовністю OFDM . Основна мета тренувальних послідовностей - оцінка коефіцієнтів каналу окремих піднесучих, а не синхронізація. Деякі протоколи розрізняють також довгі та короткі послідовності тренувань, тоді як довгу тренувальну послідовність можна знайти безпосередньо після того, як преамбула та коротка послідовність тренувань розповсюджуються в іншій частині кадру. Як правило, приймач знає заздалегідь

• положення тренувальних послідовностей в кадрі і
• значення пілотних символів, що містяться в навчальних послідовностях.

Оскільки коефіцієнти каналів можуть змінюватися з часом через рухливість вузлів та перешкод у навколишньому середовищі, їх необхідно переоцінювати протягом так званого часу узгодженості, що здійснюється короткими послідовностями тренувань (тобто пілотними символами) між корисним навантаженням OFDM символи. Час узгодженості може бути приблизним як обернення максимального доплерівського поширення. Крім того, у деяких протоколах навчальні послідовності передаються лише на декількох однаково розташованих піднесучих, тоді як всі інші піднесучі між ними продовжують передачу корисної навантаження. Це працює, оскільки коефіцієнти каналів сусідніх піднесучих співвідносяться між собою. Коефіцієнт пропускної здатності каналу, що згасає, може бути оцінений як обернена розтяжність каналу затримки.

Також зауважте, що в практичних системах пілотні символи можуть також використовуватися для інших цілей, наприклад, для оцінки SNR окремих піднесучих або для оцінки зрушення частоти несучої частоти (див. Нижче).

Циклічний префікс

Основним призначенням циклічного префіксу, вставленого між послідовними символами OFDM, є пом’якшення ISI (Inter-Symbol-Interference) та ICI (Inter-Carrier-Interference), а не синхронізація чи визначення символів починається чи закінчується.

Пом'якшення стану ISI

Завдяки багатошаровому розповсюдженню декілька копій переданої форми хвилі надходять до приймача в різні моменти часу. Отже, якщо між послідовними символами OFDM не було місця захисту, переданий OFDM-символ може перетинатися з його подальшим символом OFDM на приймачі, викликаючи ISI. Вставлення захисного простору між послідовними символами OFDM у часовій області пом'якшує цей ефект. Якщо простір захисту більше, ніж максимальне поширення затримки каналу, всі копії з декількома контурами потрапляють в охоронний простір, зберігаючи наступний символ OFDM. Зауважте, що охоронний простір також може містити нулі для пом’якшення ефекту ISI. Насправді, жоден циклічний префікс у захисному просторі в жодній цифровій комунікаційній техніці не потрібен, щоб пом’якшити дію ISI.

Пом'якшення ICI

У OFDM захисні простори заповнюються циклічним префіксом для підтримання ортогональності між піднесучими за умови, що багаторазові копії надходять до приймача внаслідок багатопроменевого поширення. Якщо б захисний простір справді був заповнений нулями на передавачі, багаторазові копії, що надходять до приймача, були б не ортогональними (тобто якимось чином співвідносяться) один з одним, викликаючи ICI.

Зсув частоти несучої (CFO) та фазовий шум

У практичних системах осцилятори частоти передавача та несучої частоти приймача зазвичай мають невелике зміщення частоти, що спричиняє фазовий дрейф з часом. Крім того, спектральна щільність потужності практичного осцилятора не є ідеальною дельта-функцією, що призводить до фазового шуму. Фазовий шум призводить до того, що фінансовий директор постійно змінюється, що призводить до зміни швидкості та напрямку фазового дрейфу. Існують різні методи ресинхронізації приймача до прийнятого сигналу, тобто для відстеження фази вхідного сигналу. Ці методи можуть додатково використовувати присутність пілотних символів у сигналі та / або застосовувати сліпі методи оцінки та кореляції.

Я також підтримую рамку OFDM з відкритим кодом для радіостанцій, визначених програмним забезпеченням, яка охоплює методи, описані вище в коді Matlab.

Щоб приблизно узагальнити чудові відповіді Deve & Jim Clay:

Синхронізація символів складається з двох різних завдань - грубої синхронізації символів, де границі символів наближені, і тонкої синхронізації символів, де груба синхронізація трохи відрегульована. Часто точна синхронізація є менш обчислювальною, тому її можна робити частіше, щоб відрегулювати зміни на каналі.

Пілотні символи, це спеціальні заздалегідь задані символи, відомі передавачу та приймачу, можуть використовуватися для здійснення грубої синхронізації шляхом пошуку символу у часовій області ("автоматична кореляція")

Фаза субносія повинна змінюватися передбачуваним способом від одного вікна до іншого. Наприклад, у BPSK фаза повинна бути на відстані 0 або pi радіанів від очікуваного значення від одного вікна до іншого. Спробувавши різні позиції вікон та випробувавши декілька підносіїв (для кращого захисту від шуму) можна досягти грубої синхронізації символів. Це "екзотичний" метод.

Циклічні префікси, які є продовженням символу, який є префіксом до початку, можуть використовуватися для тонкої кореляції через автоматичну кореляцію.

Пілотні тони - це конкретні субносії, які вибираються достроково. Вони носять певний повторюваний малюнок. Вони використовуються для оцінки каналів і додатково можуть використовуватися для тонкої синхронізації.